TWI524052B - 於導航系統中校正即時行進方向之方法及應用該方法之導航系統 - Google Patents

Description

於導航系統中校正即時行進方向之方法及應用該方法之導航 系統

本發明揭示一種導航系統，由指一種具有校正行進方向功能的導航系統。

近年來隨著科技進步，移動通訊(Mobile Communication)和導航系統(Navigation System)亦同步發展並整合，例如智慧型手機(Smart Phone)以及平板電腦(Tablet)內建的導航系統，或是安裝於車輛、船隻或飛機上較為專業的導航儀器等等。這些導航系統皆利用覆蓋於全球的衛星導航網路作為導航定位依據。而目前覆蓋於全球的衛星導航網路，例如美國的全球定位系統(GPS)以及前蘇聯的格洛納斯系統(GLONASS)皆允許具備對應定位接收器之電子元件偵測目前所在位置。而定位系統會回報目前所在位置的經度(longitude)和緯度(latitude)的座標資訊，以及海拔(elevation)高度的資訊。而許多的導航系統，除了上述定位的功能外，更具備了規劃路線的功能。要達到這類功能，以車用導航系統為例，使用者必須先將對應的地圖資料下載至導航系統中，而地圖資料包含所有交通路徑、路況、以及地形等資訊。假設使用者將導航系統目前位置設定為初始路徑並設定欲到達之目的地時，導航系統就會計算並規劃由目前位置到達目的地之可行路徑。因導航系統具備定位功能，當使用者使用導航系統時，只要遵循導航系統的指示，就可以依據導航系統規劃 的路徑而到達目的地。第1圖為先前導航系統介面100之示意圖。導航系統介面100包含標記10、道路標示20以及預設行進方向標示30。標記10中包含圓形區域以及三角形區域，圓形區域標示導航系統目前所在位置。三角形區域表示導航系統的即時行進方向。以開車為例，若使用者遵循預設行進方向而沿著規劃的道路(道路標示20)開車，則在車內的導航系統之即時行進方向應與預設行進方向一致。這裡說明一下，導航系統會預先計算並規劃由目前位置到達目的地之可行路徑。根據規劃的可行路徑與導航系統目前所在位置，產生一個預設行進方向並顯示於預設行進方向標示30內。而預設行進方向的功能為引導駕駛行駛正確的方向至正確的路徑(規劃的路徑)上。在導航系統介面100中，預設行進方向標示30內的箭頭表示預設行進方向，若行駛的道路是直路，將與道路的方向相同。若行駛的道路為彎路(例如山路)，預設行進方向標示30內的箭頭方向可為與道路切線相符之方向，該箭頭亦隨著車子在彎路上移動而動態調整方向。因此，駕駛只要利用導航系統介面100，遵循預設行進方向標示30內的箭頭指示而沿著規劃路徑移動，即可到達目的地。

然而，以現今較為高階的導航系統而言，除了利用傳統的衛星導航網路定位之外，更利用了陀螺儀(Gyroscope)輔助定位。而陀螺儀因具有定軸性(Inertia or Rigidity)以及逆動性(Precession)的特性，故具備了測量方向以及測量角加速度的功能。其應用層面相當廣泛，舉例來說，當衛星導航網路的訊號不穩定時，藉由陀螺儀可以偵測導航系統目前移動方向和角加速度，以估計導航系統目前位置，藉以增加導航系統的反應速度等等。而陀螺儀雖然能增加定位及導航的精準度，然而因陀螺儀是電子元件，故容易受到外部電磁干擾而失準。當陀螺儀的定位方向失準時，導航系統可能會依照失準後陀螺儀所指示的方向重新規劃行駛路徑及行駛方向。若是如此，因實際行進方向和導航系統所指示的行駛方向有偏差，容易導致使用者誤判而發生危險。例如於行車的狀況，使用者於單行道行駛但是導航系統指示逆向行駛。 有鑑於此，發展一種具有將失準的陀螺儀所指示的錯誤方向校正回正確的行駛方向功能的導航系統是非常重要的。

本發明一實施例提出一種於導航系統中校正即時行進方向之方法，包含提供導航地圖。根據該導航地圖的地圖資訊，提供預設行進方向。透過方向感測器，提供本體之即時行進方向。若該即時行進方向與該預設行進方向之夾角大於預定值的時間達到預定時間，則該導航系統將該即時行進方向校正為該預設行進方向。

本發明另一實施例提出一種於導航系統中校正即時行進方向之方法，包含提供導航地圖。透過該導航地圖的地圖資訊，提供預設行進方向。透過方向感測器，提供本體之即時行進方向。若該即時行進方向與該預設行進方向之夾角大於預定值的時間達到預定時間，且該即時行進方向與叉路的方向一致，則該導航系統發出詢問訊息，以確認是否將該預設行進方向校正為該即時行進方向。

本發明另一實施例提出一種導航系統，包含方向感測器、地圖資料庫、匹配模組及校正模組。方向感測器用以提供本體之位置訊息及即時行進方向。地圖資料庫用以儲存導航地圖。匹配模組是耦接於該方向感測器及該地圖資料庫，用以將該位置訊息與該導航地圖匹配，以於該導航地圖上呈現該本體對應的座標。校正模組是耦接於該方向感測器，用以當該即時行進方向與預設行進方向之夾角大於預定值的時間達到預定時間時，將該即時行進方向校正為該預設行進方向。

本發明另一實施例提出一種導航系統，包含方向感測器、地圖資料庫、匹配模組及校正模組。方向感測器用以提供本體之位置訊息及即時行進方向。地圖資料庫用以儲存導航地圖。匹配模組是耦接於該方向感測器及該地圖資料庫，用以將該位置訊息與該導航地圖匹配，以於該導航地圖上呈 現該本體對應的座標。校正模組是耦接於該方向感測器，用以當該即時行進方向與該預設行進方向之夾角大於預定值的時間達到預定時間，且該即時行進方向與叉路的方向一致時，發出詢問訊息，以確認是否將該預設行進方向校正為該即時行進方向。

100‧‧‧導航系統介面

10‧‧‧標記

20‧‧‧道路標示

30‧‧‧預設行進方向標示

40、41、42、50、51‧‧‧向量

43、44、54、53‧‧‧虛線

45‧‧‧黑色圓點

21‧‧‧叉路標示

200‧‧‧導航系統

201‧‧‧地圖資料庫

202‧‧‧匹配模組

203‧‧‧方向感測器

204‧‧‧校正模組

第1圖係為導航系統的使用介面之示意圖。

第2圖係為本發明實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測偏移時的示意圖。

第3圖係為本發明實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測反向時示意圖。

第4圖係為第2圖及第3圖之導航系統中校正行進方向之方法示意圖。

第5圖係為本發明另一實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測偏移時的示意圖。

第6圖係為第5圖實施例之導航系統中校正行進方向之方法示意圖。

第7圖係為本發明之導航系統的元件方塊圖。

第2圖為本發明實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測偏移時的示意圖。導航系統介面100包含標記10、道路標示20以及預設行進方向標示30。標記10中包含圓形區域以及三角形區域，圓形區域標示導航系統目前所在位置。三角形區域表示導航系統的即時行進方向。在此，預設行進方向標示30內的箭頭所指即為預設行進方向，而預設行進方向與導航系統所在道路之延伸方向一致。在第2圖中，標記10中的三角型區域與預設行進方向標示30的箭頭相差了90度。換言之，導航系統之即時行進方向與預設行進方向不一致。因導航系統中即時行進方向為陀螺儀所偵測，故此情況大多發生於陀螺儀受到外部電磁干擾而失準後的結果，失準的時間從數毫秒(ms)到數分鐘(min)都有可能。然而，一般導航系統並無檢測陀螺儀是否失準的機制，當陀螺儀所指示的錯誤即時行進方向為第2圖標記10所示時，導航系統將會判 斷即時行進方向與預先規劃的路徑不符合，而進一步將預設行進方向調整以使駕駛遵循預設行進方向到預先規劃的路徑上。以第2圖為例，若道路標示20為預先規劃的路徑(北上)，當陀螺儀所指示的即時行進方向為右方時，導航系統會將預設行進方向調整到左轉(箭頭向左)以使駕駛修正行駛方向向左至預先規劃的路徑上。然而，若即時行進方向判斷錯誤的原因為陀螺儀失準，則駕駛隨後會被導航系統指示錯誤的預設行進方向(例如順著北上道路駕駛卻被指示向左轉)。在這種情況下容易發生交通意外，因此本發明的導航系統會判斷陀螺儀所偵測的即時行進方向是否合理，當不合理時進行修正以使駕駛遵循正確的預設行進方向行駛，詳細的修正步驟將於之後詳述。

然而，因陀螺儀失準而將即時行進方向判斷錯誤的情況不限於第2圖90度的誤差，亦有可能是任何角度的誤差。第3圖為本發明實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測反向時示意圖。在第3圖中，標記10中的三角型區域與預設行進方向標示30的箭頭相差了180度。此時，若即時行進方向判斷錯誤的原因為陀螺儀失準，則駕駛隨後會被指示錯誤的預設行進方向(於此，順著北上道路行駛的駕駛會被指示迴轉)。雖然陀螺儀失準的情況可能是任何角度的誤差，但不是所有角度的誤差都會被修正。例如陀螺儀只是輕微失準(誤差範圍在容許範圍之內)就不會修正。詳細的修正步驟於下段詳述。

第4圖為本發明實施例之導航系統中校正行進方向之方法示意圖。這裡用包含X軸及Y軸的直角座標系來說明本發明導航系統校正行進方向的演算法。在第4圖中，向量40表示預設行進方向。虛線44以及虛線43分別表示和向量40對稱的左邊界(Left Boundary)以及右邊界(Right Boundary)。黑色圓點45表示導航系統目前位置，而直角座標系將黑色圓點45定為座標原點(Origin of Coordinates)。虛線44和向量40以及虛線43和向量40所夾的夾角為預定值。此預定值可為使用者任意設定或由導航系統內定。而預定值的物理意義即為導航系統可容忍陀螺儀失準的範圍。換言之，當陀螺儀所指示之即時行進方向完全相同於向量40之預設行進方向時，導航 系統判斷陀螺儀正常工作而不需修正。假設陀螺儀所指示之即時行進方向為向量41時，雖然向量41的方向不完全符合向量40之預設行進方向，但因向量41落在代表左邊界的虛線44以及代表右邊界的虛線43所夾的區域之中，導航系統判斷陀螺儀為輕微失準而不需要修正。假設陀螺儀所指示之即時行進方向落在代表左邊界的虛線44以及代表右邊界的虛線43所夾的區域之外達到預定時間，如大約為向量42達到預定時間時，不符合向量40之預設行進方向。此時，導航系統將判斷陀螺儀為嚴重失準而修正。而修正的方法為將陀螺儀指示錯誤的即時行進方向(向量42之方向)校正為預設行進方向(向量40之方向)。因此經由修正之後，預設行進方向將不受到失準後陀螺儀所指示的錯誤即時行進方向而改變。駕駛將繼續由預設行進方向順著規劃路徑北上行駛。上述的預定時間可為使用者自定或是系統預設的時間，例如500毫秒或1秒等等。而本發明之導航系統中校正行進方向之方法，陀螺儀所指示的即時行進方向並不限於非時變性(Time-Invariant)，意即陀螺儀所指示的即時行進方向並不隨著時間而波動，例如定向指於方向向量41或42。在其他實施例中，陀螺儀所指示的即時行進方向可為時變性(Time-Variant)，因此即時行進方向可視為將一個時變波動(Fluctuation)角度隨著時間加於向量41或向量42的角度上。舉例來說，若陀螺儀所指示的即時行進方向在T₁時間點於左邊界的虛線44以及代表右邊界的虛線43所夾的區域之內，但於T₂時間點偏移至區域之外到達預定時間T(換言之，即時行進方向在T₂至T₂+T的時間區間內偏移至區域之外)，則導航系統將判斷陀螺儀為嚴重失準而修正。然而，若陀螺儀所指示的即時行進方向在T₁時間點於區域之內，於T₂時間點偏移至區域之外，於T₃時間點又偏移回區域之內，且T₃-T₂<T時，則導航系統將判斷陀螺儀嚴重失準時間未超過預定時間T因此不會修正。

第5圖為本發明另一實施例之導航系統，考慮陀螺儀偵測偏移時的示意圖。導航系統介面100包含標記10、道路標示20、叉路標示21以及預設行進方向標示30。標記10中包含圓形區域以及三角形區域，圓形區域 標示導航系統目前所在位置。三角形區域表示導航系統的即時行進方向。在此，預設行進方向標示30內的箭頭所指即為預設行進方向，而預設行進方向與導航系統所在道路之延伸方向一致。第5圖與前述實施例的差別除了標記10所指的方向不同外，另包含一個叉路標示21。而第5圖之實施例被應用於當駕駛行駛於有叉路的路段時，恰好陀螺儀失準的情況。在本實施例中，預先規劃的路徑為道路標示20，因此預設行進方向標示30內的箭頭會指示駕駛沿著北上行駛。當駕駛行駛至叉路點時(標記10所在位置)，陀螺儀恰好失準而將即時行進方向判斷錯誤，以至於標記10的三角形區域所指向的方向與真正駕駛的即時行進方向不一致。然而，在第5圖中，陀螺儀失準後偵測的即時行進方向恰好與叉路標示21一致的方向，但本發明不以此為限，在其它實施例中，當陀螺儀失準時，可將即時行進方向指向任何方向。而導航系統在叉路點之校正方向的機制將於下段詳述。

第6圖為第5圖實施例之導航系統中校正行進方向之方法示意圖。這裡用包含X軸及Y軸的直角座標系來說明本發明導航系統在叉路時，校正行進方向的演算法。在第6圖中，向量40表示預設行進方向。向量50表示叉路方向。黑色圓點45表示導航系統目前位置，而直角座標系將黑色圓點45定為座標原點。虛線44以及虛線43分別表示和向量40對稱的左邊界(Left Boundary)以及右邊界(Right Boundary)。虛線54以及虛線53分別表示和向量50對稱的左邊界以及右邊界。虛線44和向量40、虛線43和向量40、虛線54和向量50、虛線53和向量50所夾的夾角為預定值。此預定值可為使用者任意設定或由導航系統內定。在第6圖中，當陀螺儀正常工作時，陀螺儀所指示之即時行進方向完全相同於向量40之預設行進方向，導航系統判斷陀螺儀正常工作而不需修正。當陀螺儀失準時，所偵測的即時行進方向於此將落於3個不同區間的其中之一，導航系統將分別依據落於3個不同區間的即時行進方向而分別有不同的修正行為，如下所述。第一種情況，假設即時行進方向如向量41所指向之方向時，雖然不完全符合向量40之預設行進 方向，但向量41落在對應於向量40左邊界的虛線44以及右邊界的虛線43所夾之區域內，導航系統判斷陀螺儀為輕微失準而不需要修正。第二種情況，假設即時行進方向如向量42所指向之方向達到預定時間時，且落在對應於向量50左邊界的虛線54以及右邊界的虛線53所夾之區域內達到預定時間。由於即時行進方向不落在預設行進方向之向量40的容忍範圍內達到預定時間，表示陀螺儀已經嚴重失準，理當應如第4圖實施例所述之方法直接將即時行進方向校正為預設行進方向(北上)。然而，雖然陀螺儀已經嚴重失準，但失準的即時行進方向所指的向量42恰位於叉路方向50對應的容忍範圍之內(虛線54以及虛線53之所夾區域內)。因此本實施例的導航系統將會發出一個詢問訊息給駕駛，是否要將預設行進方向修正為與錯誤的即時行進方向一致的方向。這原因在於，當駕駛行駛於叉路點時，有可能遵照預設行進方向沿著規劃路徑北上直走，亦有可能不遵照預設行進方向逕行沿著叉路方向走。因此，導航系統在此情況下發出一個語音詢問訊息，詢問駕駛是否要修正預設行進方向為錯誤的即時行進方向(叉路方向)。若駕駛確認修正預設行進方向為與叉路方向一致的方向，表示駕駛隨後將駛入叉路，因此導航系統將會依照指示，把預設行進方向修正為和叉路一致的方向並重新規劃到達目的地的路徑。若駕駛拒絕修正預設行進方向為與叉路方向一致的方向，表示駕駛隨後並不會駛入叉路。因此導航系統將會利用如第4圖實施例中的方法，將陀螺儀失準後判斷錯誤的即時行進方向校正為預設行進方向(在第6圖中的北上方向)。第三種情況，即時行進方向落在對應於向量40左邊界的虛線44以及右邊界的虛線43所夾之區域外且亦落於對應於向量50左邊界的虛線54以及右邊界的虛線所夾之區域53外達到預定時間時，例如第6圖中的向量51所表示的方向。此時，導航系統判斷陀螺儀為嚴重失準而直接修正因陀螺儀失準而判斷錯誤的即時行進方向為預設行進方向(在第6圖中的北上方向)。然而，在這種情況下，若駕駛不遵循預設行進方向沿著規劃路徑北上而選擇走叉路，則導航系統必須經過一段時間，等待陀螺儀回復正常後方能規劃出經 過叉路的路徑。上述的預定時間可為使用者自定或是系統預設的時間，例如500毫秒或1秒等等。而本發明之導航系統中校正行進方向之方法，陀螺儀所指示的即時行進方向並不限於非時變性(Time-Invariant)。在其他實施例中，陀螺儀所指示的即時行進方向可為時變性(Time-Variant)，因此即時行進方向可視為將一個時變波動(Fluctuation)角度。而即時行進方向為時變波動角度的判斷方式已於第4圖之相關段落說明，於此不再贅述。

在第4圖及第6圖之實施例所述之方法，判斷即時行進方向是否落於預設行進方向的誤差容忍範圍實質上為將即時行進方向和預設行進方向的夾角與一個預設值做比較。其中預設行進方向與導航系統所在道路之延伸方向一致。例如在第4圖中的向量41與向量40的夾角會和向量43與向量40的夾角做比較。當考慮陀螺儀所指示的即時行進方向為時變性時，將在每一個時間區間(例如二時間區間為1ms)連續比較瞬時(Instant)夾角與預設值已判斷陀螺儀是否失準。然而，在本發明實施例中考慮的即時行進方向和預設行進方向的夾角以及預設值的角度皆位於直角座標系的1、4象限或2、3象限，故即時行進方向和預設行進方向的夾角以及預設值的角度皆小於180度。若即時行進方向與預設行進方向的夾角小於預設值時，導航系統將判斷陀螺儀為正常工作或是輕微失準。若即時行進方向與預設行進方向的夾角大於預設值達到一定時間時，導航系統將判斷陀螺儀為嚴重失準。

第7圖為本發明之導航系統的元件方塊圖。導航系統200包含方向感測器203、地圖資料庫201、匹配模組202及校正模組204。方向感測器203用以提供導航系統目前的位置訊息及即時行進方向。而方向感測器203可利用一個陀螺儀以增加方向感測器的反應速度。地圖資料庫201是用以儲存導航地圖。這邊所述的導航地圖可為內建於導航系統200的地圖或是經由導航系統200外部下載或更新的地圖。使用者在使用導航系統200前必須要先下載對應的導航地圖並儲存於地圖資料庫201中，或直接選擇地圖資料庫201內建對應的地圖以使導航系統200根據導航地圖的資訊規劃目前位置到 目的地的路徑。匹配模組202是耦接於方向感測器203及地圖資料庫201，用以將導航系統所在的位置訊息與導航地圖匹配，以於導航地圖上呈現對應的座標。校正模組204是耦接於方向感測器203，用以修正導航系統的即時行進方向或預設行進方向。修正的方法以及實施例已於第4圖至第6圖詳述，故於此將不再贅述。

本發明描述了一種校正行進方向功能的導航系統，用於當陀螺儀發生失準而造成即時行進方向偵測錯誤達到預定時間時，能夠判斷錯誤的方向並將其校正之，以使預設行進方向不會因為陀螺儀的失準而引導駕駛駛向錯誤的方向而造成危險。當駕駛行駛於叉路時，本發明的導航系統亦會選擇性地詢問駕駛是否要更新預設行進方向以使駕駛隨後行駛的方向與預設行進方向一致。因此，本發明的導航系統能夠將因陀螺儀失準而造成引導駕駛駛向錯誤方向的風險降低。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧導航系統介面

10‧‧‧標記

20‧‧‧道路標示

30‧‧‧預設行進方向標示

Claims (11)

1. 一種於導航系統中校正即時行進方向之方法，包含：提供一導航地圖；根據該導航地圖的地圖資訊，提供一預設行進方向；透過一方向感測器，提供一本體之一即時行進方向；及若該即時行進方向與該預設行進方向之一夾角大於一預定值的時間達到一預定時間，則該導航系統將該即時行進方向校正為該預設行進方向。
2. 如請求項1所述之方法，其中若該即時行進方向與該預設行進方向之該夾角大於該預定值的時間達到該預定時間，則該導航系統將該即時行進方向校正為該預設行進方向，係為若該即時行進方向與該預設行進方向實質上相反的時間達到該預定時間，則該導航系統將該即時行進方向校正為該預設行進方向。
3. 一種於導航系統中校正即時行進方向之方法，包含：提供一導航地圖；透過該導航地圖的地圖資訊，提供一預設行進方向；透過一方向感測器，提供一本體之一即時行進方向；及若該即時行進方向與該預設行進方向之一夾角大於一預定值的時間達到一預定時間，且該即時行進方向與一叉路的方向一致，則該導航系統發出一詢問訊息，以確認是否將該預設行進方向校正為該即時行進方向。
4. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該預設行進方向為該本體所在道路之一延伸方向。
5. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中提供該本體之該即時行進方向係於該本體對應於該導航地圖的座標上提供該本體之該即時行進方向。
6. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中透過該方向感測器，提供該本體之該即時行進方向，係為透過一陀螺儀，提供該本體之該即時行進方向。
7. 一種導航系統，包含：一方向感測器，用以提供一本體之一位置訊息及一即時行進方向；一地圖資料庫，用以儲存一導航地圖；一匹配模組，耦接於該方向感測器及該地圖資料庫，用以將該位置訊息與該導航地圖匹配，以於該導航地圖上呈現該本體對應的座標；及一校正模組，耦接於該方向感測器，用以當該即時行進方向與一預設行進方向之一夾角大於一預定值的時間達到一預定時間時，將該即時行進方向校正為該預設行進方向。
8. 如請求項7所述之導航系統，其中該校正模組係用以當該即時行進方向與該預設行進方向實質上相反的時間達到該預定時間時，將該即時行進方向校正為該預設行進方向。
9. 一種導航系統，包含：一方向感測器，用以提供一本體之一位置訊息及一即時行進方向；一地圖資料庫，用以儲存一導航地圖；一匹配模組，耦接於該方向感測器及該地圖資料庫，用以將該位置訊息 與該導航地圖匹配，以於該導航地圖上呈現該本體對應的座標；及一校正模組，耦接於該方向感測器，用以當該即時行進方向與一預設行進方向之一夾角大於一預定值的時間達到一預定時間，且該即時行進方向與一叉路的方向一致時，發出一詢問訊息，以確認是否將該預設行進方向校正為該即時行進方向。
10. 如請求項7至9中任一項所述之導航系統，其中該方向感測器係為一陀螺儀。
11. 如請求項7至9中任一項所述之導航系統，其中該預設行進方向為該本體所在道路之一延伸方向。